Nat Commun｜焦宁团队发展新型电子给体-受体催化氧气活化体系
近日，我室焦宁教授团队在国际专业期刊《自然-通讯》 （Nature Communications）上发表了题为“Dioxygen compatible electron donor-acceptor catalytic system and its enabled aerobic oxygenation” （氧气兼容的电子给体-受体催化体系及其在氧合反应中的应用）的最新研究成果。
长期以来，化学家们一直致力于利用光能来驱动化学反应的发生。光化学反应不仅利用了清洁、可再生的光能作为能源，还能够发现一些传统热化学反应难以实现的反应历程。在近年来兴起的光化学反应领域中，常常需要引入光催化剂来吸收光子的能量，进而与底物发生电子转移或能量转移来完成目标化合物的合成。近年来兴起的电子给体-受体复合物（EDA Complex）光化学是一个截然不同的研究方向：其无需依赖光催化剂，由电子给体（Donor）和受体（Acceptor）通过非共价相互作用形成的复合物在光照下发生电子转移，即可产生高活性自由基中间体进而完成相关的转化。由于其独特的反应性，EDA Complex光化学体系已被应用于包括：硼化反应、胺化反应、硫化反应、烷基化反应、环化反应和偶联反应等重要合成化学领域中。然而，由于氧气的三线态-双自由基性质，其经常会影响自由基反应与单电子转移（SET）途径，并且氧气对富电子Donor的氧化也会对反应造成不利影响。因此，EDA Complex光化学反应往往需要惰性气体保护才能顺利、高效地进行，在一定程度上限制了这一领域的应用范围。
▲ 图1 研究工作概述
焦宁团队长期致力于氧气活化及绿色氧化、氧合反应研究，实现了一系列温和条件下氧气活化及氧和反应（Acc. Chem. Res. 2017, 50, 1640）。基于前期工作基础（Org. Lett. 2011, 13, 2168；Nat. Catal. 2021, 4, 116），团队设计-发展了一种对氧气兼容的EDA Complex光化学反应体系，在温和条件下，可控地将氧气转化为超氧自由基负离子（图1），并实现了包括有机硼化物、硅化物、磷化物的氧合反应。值得一提的是，该体系使用了硝基芳烃类有机小分子作为催化量的Acceptor，是本领域罕见的Acceptor催化反应报导之一。该氧合体系选择性高、官能团兼容性好，具有药物分子及复杂天然产物的后期官能团化的应用潜力，实现了对标靶治疗的新型抗癌药物硼替佐米的后期氧合反应修饰（图2）。这些实验结果展现了该EDA Complex光化学体系在氧合反应中良好的应用潜力，同时也为氧气兼容的相关光催化体系设计提供了新思路。
▲ 图2 代表性底物展示
该论文第一作者为魏佳良博士，通讯作者为焦宁教授。团队成员蒙骏鸿，张才方和药学院刘雅萌老师为该研究做出了重要贡献。北京大学药学院天然药物及仿生药物全国重点实验室为第一通讯单位。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和新基石科学基金等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45866-z
【作者简介】
魏佳良，博士。2012年考入中山大学化学学院，并于2013-2016年入选国家基础学科拔尖人才培养计划，进入逸仙学院（Yat-Sen Honor School）学习，导师：赵晓丹 教授，获学士学位。随后进入北京大学药学院天然药物及仿生药物全国重点实验室学习，获博士学位，导师：焦宁 教授。目前继续在焦宁教授团队从事博士后研究。研究方向为氧气活化反应及光动力治疗药物研发。已在Science、Nat. Chem.、Nat. Cat.、Nat. Commun.等期刊发表论文20余篇，授权专利3项。曾获中山大学优秀学生奖学金、本科生科研创新奖、金发科技奖、文献阅读大赛一等奖、生益奖学金，北京大学优秀科研奖、北京大学久信特等奖学金、北京大学博士创新人才奖学金、第十三届氧气活化和均相氧化催化国际研讨会优秀墙报奖等多个奖项。
焦宁，北京大学博雅特聘教授。长期致力于绿色化学、药物合成的绿色化、基于代谢类疾病的新药发现研究; 在碳碳键活化、氧化反应、氮化反应、卤化反应等研究中取得了一系列创新性的成果，提出了简单碳氢化合物氮合反应的概念，利用氧气为氧化剂突破了氧合反应的瓶颈，通过氧化、氮化、卤化反应实现药物活性中间体的绿色、高效合成及修饰；搭建了基于分子编辑和修饰的原创药物发现平台，为复杂活性分子精准修饰后药效重定位及新药发现开辟了新途径，发现了多个新靶点、新机制候选药物分子，其中用于光动力治疗和针对血脂异常的1.1类创新药物已完成临床前研究；以通讯作者在Science、Nature、Nat. Chem.、Nat. Catal.、Nat. Metab.、The Innovation、CCS Chem.等杂志发表论文190余篇，获批发明专利近20 项；受到国内外广泛关注。目前担任Chem. Sci.副主编及多个期刊编委，以第一完成人先后获得北京市自然科学一等奖、教育部自然科学一等奖、科学探索奖、新基石研究员等奖项。